100立方米林可霉素发酵罐设计探索

2022-09-10

引言

通用式发酵罐既具有机械搅拌装置, 又具有压缩空气分布装置。其高径比为2:1-6:19。所以能最广泛应用到的深层好气培养设备, 通用式发酵罐的工作原理是:利用机械搅拌搅拌物料产生轴向和径向流动, 从而使罐内物料混合良好, 液体中的固形物保持悬浮状态, 有利于固体和营养物质充分接触, 便于营养吸收;另一方面, 可以打碎气泡, 增加气液接触面积, 提高气液间的传质速率, 加强氧的传递效果及消除泡沫。同时通入无菌空气维持菌体氧气需要, 满足好氧菌的生长发酵。发酵罐其实就是一种生物反应器, 生物反应器是指为活细胞或酶提供适宜的反应环境, 让他们进行细胞增殖或生产的装置系统。生物反应器为细菌的生长和繁殖提供适宜的生长环境, 促进菌体生产人们需要的产物。而对于林可霉素发酵罐而言, 由于发酵过程的特殊性, 需要结合相关的参数进行具体的设计, 本文就从设计方案、工艺设计以及搅拌轴设计等方面进行论述。

一、100立方米林可霉素发酵罐设计方案分析

1. 林可霉素的生产现状

就目前状况而言, 我国在对林可霉素进行生产时, 主要采用的提炼生产工艺为丁醇萃取法。大致的操作步骤如下:首先由丁醇从发酵液之后总对林可霉素进行一定程度上的萃取, 然后在此基础之上对其进行反复的浓缩、脱色处理, 这样一来结晶就得到了相应的粗晶体。在萃取结束之后, 再通过对盐酸进行一定程度的使用, 并由此来实现反萃取, 萃取之后经过脱色处理, 最后再使用丙酮对其进行直接结晶。虽然丁醇萃取法使用十分广泛, 但其存在着固有的弊端, 主要表现在两个方面:一方面, 这一工艺复杂程度较高, 存在着较多的工序, 这样一来, 就会促使收率相对较低, 同时也会造成较大的消耗;另一方面, 利用丁醇萃取法对林可霉素与林可霉素S的分离难以产生效果, 一般情况下, 在粗品之中的林可霉素S含量大致在3%~6%的范围之内, 且丁醇的水溶性相对较大, 进而导致丁醇消耗量大, 难以回收的现象。

2. 设计的基础条件

在对林可霉素发酵罐进行设计的过程之中, 需要满足相应的设计基础条件, 主要表现在如下几个方面: (1) 在生产的过程之中, 要求装料系数能够达到70%, 同时还需要对发酵温度进行一定程度上的控制, 一般情况下发酵温度在31℃左右较为适宜; (2) 要求对设计压力进行有效的控制, 一般情况下, 罐内的压力控制为0.4MPa, 而夹套的压力控制为0.25MPa; (3) 设计时对罐内气体的相对湿度有着十分严格的要求, 要求罐内气体的相对湿度要达到100%; (4) 冷却水温度的有效控制, 进口温度控制在20℃, 出口温度控制为26℃; (5) 在朱主酵阶段, 最大耗糖速度控制为每小时发酵液量的0.7%左右, 而在糖分的消耗之中, 发酵占80%, 呼吸站20%, 要求1kg糖发酵时能够产生的呼吸热为15660KJ。 (6) 水解工艺流程:淀粉+水+盐酸→ (水解) →冷却→一次中和→脱色→压滤→二次中和→列管冷却→葡萄糖汁→送去发酵。

二、工艺设计

1. 设备结构

首先需要对相关的工艺参数以及高径比进行一定程度上的参考, 并在此基础之上对各个部分二代几何尺寸进行有效的确定。高径比为H/D=2.2, 由此可得H=2.2D, 由此可以计算出封头体积为:

然后再由此公式进行进一步的计算与分析, 可以得到如下参数:

罐体的直径为D=3762.8066mm≈3800m;

罐体的总高度为H=2.2D=2.2×3762.8066mm=7625.4336mm≈7700mm。

根据相关资料标准显示, 如果公称的直径D=3800mm时, 那么在这一情况之下标准椭圆封头的曲面高度则为h=940mm, 直边高度hb=50mm, 而总深度则为ha=990mm, 然后再对这些数值进行综合计算, 便可以得到罐筒身高如下:

这样一来, 所得到的值便与之前的值相近, 因而我们可以认为D=3800mm是合适的罐体直径, 由此我们可以计算出发酵罐的全体积如下:

2. 封头规格

在充分遵循相关规定标准的基础之上, 通过对发酵罐工程内径可以得到封头的相关规格, 主要如下, 公称直径为3.8m, 曲面直度为0.94m, 直边高度为0.05m, 内表面积为16.13m2, 容积为7.636m3。然后在此基础之上通过对压力、温度以及腐蚀等因素进行一定程度的考虑。便可以对罐体材料、封头结构以及罐体连接方式进行有效的确定, 并最终对100平方米发酵罐的几何尺寸进行确定, 相关参数主要如下公称体积为100m3, 全体积为102.56m3, 罐体的直径为3800mm, 发酵罐的总高度为9480mm, 发酵罐筒体的高度为7500mm, 搅拌叶的直径为1300mm, 椭圆封头端半周长为940mm, 椭圆封头直边高度为50mm, 底搅拌叶至封头高度为1300mm, 搅拌叶间距为3800mm, 挡板宽度为380mm, 在这几项参数之中, 除了公称体积、搅拌叶直径为设计条件, 其余参数均有计算得出结果。

3. 视镜设计

之所以要对视镜进行一定程度的设计, 主要是为了对发酵罐的内部情况进行有效的观察, 在本次的设计中, 一共设计的两个视镜, 且两个视镜都设置在了封顶头上。

三、搅拌轴设计

首先需要对搅拌轴的材料进行合理的优化选择, 因为其材料会对搅拌轴的性能造成一定程度上的影响。经过研究与讨论, 最终选择了45号钢作为搅拌轴的原材料, 其力学性能如下, 主要分为两种情况: (1) 当界面尺寸小于等于100mm时σb为588MPa, σn为294MPa, σs为15%, αk为39J/cm2, HB在162~217的范围之内, [τ]在30~40MPa, A在118~107范围之内; (2) 当界面尺寸大于100mm时, σb为588MPa, σn为284MPa, σs为15%, αk为39J/cm2, HB在149~217的范围之内, [τ]在30~40MPa, A在118~107范围之内;取A=118, 那么由此就可以对搅拌轴的直径进行一定程度的计算, 计算可以得出d=156.294mm;同时在进行设计的过程之中, 我们还考虑到在搅拌轴之上连有联轴器有孔槽以及一定的腐蚀裕度及安全系数, 基于这一方面的考虑, 我们取搅拌轴的直径d=160mm.

四、冷却装置设计

1. 冷却方式选择

对于本文中设计的发酵罐而言, 其容量相对较大, 因此夹套难以对冷却需求进行有效的满足, 基于这一方面的考虑, 在本文的设计过程中选择了蛇管冷却方式,

在进行综合比较分析之后发现这一冷却方式取得了效果良好。而如果在使用水作为冷却介质时, 则选择列管冷却较为适宜。

2. 装液量

表4显示的是各类发酵液的发酵热如下:青霉素丝状菌为23000KJ/m3·h, 青霉素球状菌为13800KJ/m3·h, 链霉素为16800KJ/m3·h, 四环素25100KJ/m3·h, 红霉素为26300KJ/m3·h, 谷氨酸29300KJ/m3·h, 赖氨酸为33400KJ/m3·h, 柠檬酸为11700KJ/m3·h, 酶制剂在14700~18800KJ/m3·h之间。在进行设计的过程之中, 我们选择发酵罐装料系数为70%, 这样一来, 就可以计算出发酵罐装料液的体积为V=71.80m3, 以及单位时间传热量, 公式主要如下:

单位时间传热量=发酵热×装料量

根据计算得出Q=1206240J/h。

结束语

本文就针对100立方米林可霉素发酵罐设计进行分析与探索。首先从林可霉素的生产现状以及设计的基础条件两个方面对林可霉素发酵罐的设计方案进行了一定程度上的阐述, 然后在此基础之上分别分析了工艺设计、搅拌轴设计以及冷却装置设计, 并对相关数据进行了处理分析。希望我们的研究能够给读者提供参考并带来帮助。

摘要：随着时代的发展以及科学技术水平的不断提高, 我国的医药事业取得了较大程度上的发展。近年来, 随着抗生素的生产、使用与推广, 医药业的发展将更进一步。与此同时, 林可霉素生产工艺在这一环境中也不断发展与完善。而在林可霉素的生产过程之中, 发酵罐的合理与否将会对其生产质量造成较大程度上的影响。本文就针对100立方米林可霉素发酵罐设计进行分析与探索。

关键词：100立方米,林可霉素,发酵罐,设计